Leica TS30 White Paper

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März 2009

Hans-Martin Zogg, Werner Lienhart, Daniel Nindl

Leica Geosystems AG

Heerbrugg, Schweiz

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Höchste Genauigkeit, Geschwindigkeit und Leistung - perfekt kombiniert

Übersicht Dieses White Paper präsentiert die weltweit moderns-

te Totalstation mit höchster Genauigkeit – die Leica

TS30. Die Leica TS30 kombiniert eine bislang uner-

reichte Genauigkeit mit bester Qualität und Leistung.

Neueste Technologien werden in der TS30 von Leica

Geosystems eingesetzt. Entscheidende Faktoren,

welche die beeindruckende Genauigkeit, Qualität und

Leistung dieser neuen Totalstation ermöglichen, sind

die mechanische Konstruktion der TS30 in Kombina-

tion mit genauester Winkelmessung bei hoher Mess-

frequenz (bis 5000 Winkelmessungen pro Sekunde),

der Motorisierung mittels Direktantrieben basierend

auf der Piezo-Technologie und der optimierten elekt-

ro-optischen Distanzmessung.

Einleitung Höchste Genauigkeit und Zuverlässigkeit sind ent-

scheidende Aspekte bei herausfordernden Ingenieur-

vermessungsprojekten. Neben dem optimalen Mess-

aufbau spielen die richtige Auswahl sowie die Genau-

igkeit und Zuverlässigkeit der Messinstrumente eine

wichtige Rolle für den Erfolg eines Ingenieurprojektes.

Seit Beginn des 19. Jahrhunderts entwickelt Leica

Geosystems vermessungstechnische Lösungen für

höchstmögliche Ansprüche basierend auf den neues-

ten, revolutionärsten und genauesten Technologien.

Vor mehr als 75 Jahren wurde der Theodolit WILD T3

der Öffentlichkeit vorgestellt. Dieser Theodolit mit

einer Winkelmessgenauigkeit von 0.5“ erweckte bei

Vermessungsingenieuren weltweit großes Interesse

wegen seiner einzigartigen Genauigkeit. In den 70er

Jahren wurde die Elektronik und Automatisierung in

die Entwicklung und Produktion von Tachymetern

integriert. Zu Beginn der 80er Jahre brachte Leica

Geosystems den TC2000 auf den Markt. Der TC2000

vereinte erstmalig höchste Genauigkeit und beste

Qualität zusammen mit der Automatisierung von

Messprozessen (Abb. 1). Ausgerüstet mit dem ersten

hochgenauen elektronischen Winkelmesssystem von

Leica Geosystems vereinte der TC2000 die hohe Win-

kelmessgenauigkeit mit der elektro-optischen Dis-

tanzmessung (EDM). Leica Geosystems setzte die

Mission weiter fort, ihre Kunden mit der besten ver-

messungstechnischen Ausrüstung auszustatten, und

brachte Mitte der 90er Jahre die TCA2003 Totalstati-

on auf den Markt - die nächste Generation von Total-

stationen mit einer Winkelmessgenauigkeit von 0.5“.

Zusätzlich zur elektro-optischen Distanzmessung

wurde die Messeffizienz mit der Automatisierung des

Messprozesses durch die Entwicklung der automati-

schen Zielerfassung (ATR) deutlich verbessert. Die

neueste Generation der hochgenauen Totalstationen

von Leica Geosystems ist die TS30. Die Leica TS30

erreicht eine bislang unübertroffene Genauigkeit und

Leistung zusammen mit einer unbegrenzten Flexibili-

tät und Modularität durch die vollständige Kompatibi-

lität mit den Komponenten der Leica System 1200

Serie.

Abb. 1: Leica Geosystems 0.5”-Totalstationen.

In Bezug auf Zeit, Kosten und Qualität werden Ingeni-

eurprojekte zunehmend größer und anspruchsvoller.

Daher nimmt die Nachfrage nach noch genaueren,

noch zuverlässigeren und noch effizienteren Vermes-

sungsinstrumenten kein Ende. Ebenso sind lange

Serviceintervalle und somit kurze Ausfallzeiten sowie

geringe Wartungskosten bei Vermessungsinstrumen-

ten von großer Bedeutung für die effiziente und er-

folgreiche Durchführung von Ingenieurprojekten.

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Leica TS30 – weltweit führend in Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Robustheit und Geschwindig-keit Die Lösung von Leica Geosystems für die zunehmen-

den Ansprüche an Genauigkeit und Effizienz von To-

talstationen ist die Leica TS30 (Abb. 1). Die TS30

ermöglicht Winkelmessungen mit einer Genauigkeit

von 0,5“ (getestet nach ISO 17123-3). Die Distanz-

messgenauigkeit mit dem PinPoint EDM auf Leica

Prismen beträgt 0.6mm + 1ppm (getestet nach ISO

17123-4). Abhängig von den atmosphärischen Bedin-

gungen und den Zielreflexionseigenschaften können

Distanzen bis zu 12000m gemessen werden. Für

reflektorlose Distanzmessungen ist die Leica TS30 mit

dem System Analyzer von Leica Geosystems ausges-

tattet. Dieser ermöglicht reflektorlose Distanzmes-

sungen mit sehr hoher Genauigkeit auf alle natürli-

chen Oberflächen mit einer Reichweite von bis zu

1000m (vgl. Bayoud, 2006).

Die TS30 erlaubt sehr schnelle und hochgenaue Mes-

sungen. Sie wurde insbesondere für höchste Mess-

qualität bei manueller Anzielung sowie bei automati-

siertem Messprozess mit automatischer Zielerfassung

entwickelt.

Die neu entwickelten Direktantriebe basieren auf dem

Piezo-Effekt. Sie ermöglichen sehr schnelle, effiziente

und automatisierte Messungen. Die Drehgeschwin-

digkeit der Alhidade und des Fernrohrs beträgt

200gon/s. Damit ist die Leica TS30 viermal schneller

als Totalstationen mit herkömmlichen Antriebstech-

nologien. Diese neuen Direktantriebe steigern die

Messeffizienz deutlich. Insbesondere in der Ein-

Personen-Vermessung und in dynamischer Umgebung

wird die Leistung dieser Antriebe optimal ausgenutzt;

denn die integrierten Funktionen wie die automati-

sche Zielerfassung (ATR, bis zu 1000m), PowerSearch

(PS, Auto-Prismensuche auf Knopfdruck) und die

elektronische Zieleinweishilfe (EGL, für die Abste-

ckung) beschleunigen den automatisierten Messpro-

zess stark.

Die TS30 ist vollumfänglich in das X-Function System

von Leica Geosystems integriert, welches die unbe-

grenzte Flexibilität durch die Kompatibilität mit allen

Komponenten der Leica System 1200 Serie bietet.

Die Totalstation, die GNSS SmartAntenna und die

Instrumenten-Software Leica SmartWorx können

durch das modulare Design nahtlos miteinander

kommunizieren.

Der Fokus dieses White Paper liegt auf der Beschrei-

bung der Neuentwicklungen und der verwendeten

Technologien in der Leica TS30 Totalstation. Beson-

deres Augenmerk wird dabei auf die mechanische

Konstruktion, das Winkelmesssystem, die Direktan-

triebe basierend auf der Piezo-Technologie und die

elektro-optische Distanzmessung gelegt.

Die mechanische Konstruktion Der Anspruch von höchster Genauigkeit kombiniert

mit hoher Geschwindigkeit erfordert neue Lösungen

im Bereich der Konstruktion und Design von Totalsta-

tionen. Die TS30 hat einen sehr stabilen Oberbau

(Alhidade), der die nötige Stabilität und Robustheit

für die Winkelmessgenauigkeit von 0,5“ bei allen

äußeren - auch veränderlichen - Bedingungen (Tem-

peraturwechsel, Wind, Regen, usw.) garantiert. Ne-

ben der mechanischen Konstruktion ist auch die Ho-

mogenität der verwendeten Materialstruktur von

hoher Wichtigkeit. Deshalb wird die Stütze der TS30

mit einem Niederdruckguss-Verfahren hergestellt, bei

dem das Material langsam und nur mit Hilfe der

Schwerkraft in die Form gegossen wird. Dabei wird im

Gegensatz zum allgemein verwendeten Spritzguss-

Verfahren weniger Spannung auf das Material ausge-

übt, sodass eine homogenere Materialstruktur ent-

steht. Das Niederdruckguss-Verfahren trägt erheblich

zur Steifigkeit der Stütze bei. Um eine maximale Stei-

figkeit und Stabilität der TS30 zu erreichen, wurde die

Stütze, verglichen zu 1“-Instrumenten, zusätzlich

verbreitert.

Abb. 2 zeigt einen Schnitt durch die TS30 Totalstati-

on. Auffallend sind insbesondere die Position und die

Größe der codierten Glaskreise zur Ablesung der Hori-

zontal- und Vertikalwinkel. Die Winkelmessgenauig-

keit und die Winkelauflösung werden bei zunehmen-

dem Durchmesser der Glaskreise verbessert. Daher

wurde der Durchmesser der codierten Glaskreise der

Leica TS30 im Vergleich zu Totalstationen mit 1“-

Winkelgenauigkeit um etwa 15% vergrößert.

Für eine ergonomischere Bedienung wurde die TS30

mit einem zusätzlichen Vertikal-Feintrieb und einer

seitlichen Auslösetaste (Smart-Taste) ausgestattet,

deren Funktion frei wählbar ist. Der dritte Vertikal-

Feintrieb, der die Bedienung der TS30 mit einer Hand

wesentlich vereinfacht, ist über dem Horizontal-

Feintrieb angebracht. Dazwischen liegt - auf einer

Linie mit der Kippachse - die Smart-Taste, die das

Auslösen von Messungen ohne Einwirkung von Tan-

gentialkräften auf die Alhidade ermöglicht.

5

Abb. 2: Schnittzeichnung einer Leica TS30 Totalstation.

6

Die Winkelmessung Das Winkelmesssystem (horizontal und vertikal) ist

eine der entscheidenden Komponenten der TS30.

Unter hoher Geschwindigkeit der Direktantriebe müs-

sen hochgenaue Winkelmessungen garantiert wer-

den. Das Winkelmesssystem besteht im Wesentlichen

aus einem codierten Glaskreis und vier Winkelenco-

dern – also mit vierfacher Ablesung. Der Encoder

setzt sich aus einer Lichtquelle (LED), Spiegeln zum

Reflektieren des austretenden Lichts und einem Zei-

lensensor zusammen. Der Code auf dem Glaskreis

besteht aus radial ausgerichteten Strichen und ist

absolut und kontinuierlich. Damit entfällt die Initiali-

sierung des Instrumentes vor den Messungen. Abb. 3

zeigt beispielhaft die 3D-Darstellung eines Encoders

und den codierten Glaskreis des Winkelmesssystems.

Abb. 3: Ein einzelner Encoder des Winkelmesssystems mit Lichtquelle (LED) und Zeilensensor.

Zur Winkelmessung wird ein Lichtstrahl, der aus der

LED austritt, durch den Glaskreis hindurch auf den

Zeilensensor projiziert. Das Bild des Zeilensensors

wird decodiert und in eine relative Winkelangabe

umgewandelt. Der erste grobe Winkel wird mit einer

Genauigkeit von ca. 0.3gon anhand der codierten

Striche bestimmt. Die genaue Winkelmessung erfolgt

durch die Codestriche, deren exakte Position durch

einen von Leica Geosystems entwickelten Algorith-

mus ermittelt wird. Zur Positionsbestimmung müssen

mindestens 10 Codestriche durch den Zeilensensor

erfasst werden. Um die Interpolationsqualität der

aktuellen Position zu steigern, werden für die Signal-

auswertung mindestens 30 Codestriche verwendet.

Wichtige Merkmale und Vorteile des Winkelmesssys-

tems der TS30 sind die hohe Messfrequenz mit bis zu

5000 Messungen pro Sekunde und der vierfache

Winkelabgriff. Die hohe Messfrequenz ermöglicht ein

direktes und präzises Steuern der Direktantriebe

basierend auf den Encodern des Winkelmesssystems.

Dadurch kann die gewünschte Position mit hoher

Genauigkeit durch die Direktantriebe ohne iterative

Korrekturen erreicht werden. Bei anderen Totalstati-

onen mit herkömmlichem Winkelmesssystem verwen-

det die Antriebssteuerung einen zusätzlichen Encoder

auf der Motorachse, weil die Winkelmessfrequenz

lediglich wenige Hertz beträgt und somit eine direkte

Steuerung der Motoren nicht möglich ist. Der Motor-

Encoder selbst ist schnell, jedoch zu ungenau, und

erfordert deshalb von Zeit zu Zeit ein Synchronisieren

mit dem Winkelmesssystem. Dennoch können Diffe-

renzen zwischen Motor-Encoder und dem Winkel-

messsystem auftreten, die eine ungenaue Positionie-

rung der Alhidade verursachen und somit eine iterati-

ve Positionierung erfordern.

Für hochgenaue Winkelmessungen wird bei der Leica

TS30 die aktuelle Position des codierten Glaskreises

durch einen vierfachen Winkelabgriff bestimmt. Die

Vorteile dieses Systems sind entscheidend, denn

dadurch können systematische und periodische Feh-

ler eliminiert und die Messgenauigkeit gesteigert

werden. Auch die Zuverlässigkeit der Winkelmessung

wird dadurch verbessert.

Durch die Verwendung von zwei Encodern für die

Winkelmessung wird der zyklische Exzentrizitätsfehler

des codierten Glaskreises bezüglich der Stehachse der

Totalstation eliminiert. Zwei weitere Encoder beseiti-gen weitere kleinere π-periodische Fehler, die durch

das System bestimmt werden.

Die Winkelmessgenauigkeit wird durch die Verwen-

dung von vier Encodern (im Gegensatz zu zwei) ge-

mäß der Varianzfortpflanzung um etwa den Faktor

0,7 verbessert (vgl. Gleichung 1). Die Zuverlässigkeit

wird durch die höhere Anzahl der Winkelmessungen

verbessert.

EncoderEncoder 24 21 σσ = (1)

Die Winkelmessgenauigkeit der Leica TS30 wurde mit

der TPM-2 (Theodolit-Prüfmaschine) von Leica Geo-

systems getestet und zertifiziert. Die Theodolit-

Prüfmaschine (vgl. Lippuner und Scherrer, 2005)

gehört zum Kalibrierlabor von Leica Geosystems für

Strecken und Winkel. Das Labor ist durch die Schwei-

zerische Akkreditierungsstelle (SAS) zugelassen, die

dem Eidgenössischen Volkswirtschaftsdepartement

unterstellt ist. Die Standardabweichung (1σ) der

TPM-2 Winkelmessung beträgt 0.018mgon (0.058”)

Lichtquelle (LED)

Zeilensensor

Codierter Glaskreis

7

für Horizontalwinkel und 0.028mgon (0.091”) für

Vertikalwinkel. Um die Winkelmessgenauigkeit der

Leica TS30 zu prüfen, werden die Horizontal- und

Vertikalwinkel mit den Messungen der TPM-2 vergli-

chen. Die Standardabweichung wird gemäß ISO

17123-3 berechnet. Die Leica TS30 hat eine Winkel-

messgenauigkeit von 0.15mgon (0.5”). In Abb. 4 und

5 werden Beispiele von Testmessungen der TPM-2

mit der TS30 dargestellt. Die Abbildungen zeigen die

Differenzen der Horizontal- und Vertikalwinkelmes-

sungen zwischen der TPM-2 und der TS30.

Abb. 4: Ergebnisse der TPM-2 für Hz-Winkel Standardabw. nach ISO 17123-3 (n = 36) = 0.14mgon.

Abb. 5: Ergebnisse der TPM-2 für V-Winkel Standardabw. nach ISO 17123-3 (n = 36) = 0.13mgon.

Der letzte Schritt bei der Winkelmessung mit Totalsta-

tionen ist die Korrektur der Rohwinkel durch folgende

vier Parameter (Leica Geosystems Quadrupel-

Fehlerkompensation):

Aktuelle Längs- und Querabweichung des Horizon-

tes der Totalstation bestimmt mit einem Zweiachs-

Neigungssensor (l, t)

Höhenindexfehler (i, in Bezug zur Stehachse)

Zielachsfehler (c)

Kippachsfehler (a)

Der Zielachsfehler, der Kippachsfehler und der Hö-

henindex können regelmäßig durch den Anwender

selbst über ein Standardverfahren bestimmt werden.

Dieses Verfahren ist als Systemprogramm in der

TS30 gespeichert ist.

Abb. 6: Prinzip des Zweiachs-Neigungssensors

Der Zweiachs-Neigungssensor überwacht den Hori-

zont der Totalstation, der im Idealfall senkrecht zur

Lotlinie liegt. Der in der TS30 eingebaute Neigungs-

sensor erkennt die aktuelle Abweichung von der Lot-

linie. Abb. 6 zeigt das Prinzip dieses Zweiachs-

Neigungssensors.

Abb. 7: Strichfigur zur Messung der Längs- und Quer-abweichung durch einen Zeilensensor. Die Striche be-wegen sich längs und quer zum Zeilensensor. Zum Er-fassen der Längs- und Querabweichung ist die Ver-schiebung der unterschiedlichen Schwerpunkte der Strichfigur entscheidend.

Zeilensensor

Indikator Querabweichung

Indikator Längsabweichung

Neigung 1:

Neigung 2:

Zeilensensor

Strichfigur

Lichtquelle (LED)

Ölflüssigkeits- oberfläche

8

Der Neigungssensor besteht im Wesentlichen aus

einer Ölflüssigkeitsschicht in einer Schale mit einer

Linse und einem Spiegel, einem Prisma mit aufge-

druckter Strichfigur, einem Zeilensensor und einer

Lichtquelle. Die Strichfigur wird auf den Zeilensensor

projiziert, nachdem es die Ölschicht passiert und

zweimal auf der Oberfläche reflektiert wurde. Die

besondere dreieckförmige Strichfigur ermöglicht die

Erfassung beider Neigungskomponenten mit einem

ein-dimensionalen Empfänger (Zeilensensor) (Abb. 7).

Bei einer Querabweichung verändert sich der Abstand

zwischen den unterschiedlich ausgerichteten Stri-

chen. Bei einer Längsneigung verschiebt sich der

Mittelpunkt der gesamten Strichfigur entlang des

Zeilensensors. Dieser Aufbau des Zweiachs-

Neigungssensors ermöglicht eine sehr kompakte

Bauweise. Der Sensor sitzt in der Mitte der Stehachse

der Totalstation. Dadurch wird der Flüssigkeitsspiegel

beim Drehen der Alhidade möglichst stabil gehalten

und die Beruhigungszeit der Ölschicht minimiert, so

dass nach dem Drehen sofort Neigungsmessungen

möglich sind.

Die Motorisierung Zur Motorisierung der Leica TS30 werden Direktan-

triebe basierend auf dem Piezo-Effekt verwendet.

Dabei wird elektrische Spannung direkt in mechani-

sche Bewegung umgewandelt. Die Möglichkeit, maxi-

male Geschwindigkeit und Beschleunigung zusammen

mit fast unendlich kleiner Schrittgröße umzusetzen,

sind die wesentlichen Leistungsmerkmale der Direkt-

antriebe der Leica TS30. Diese fast unendlich kleine

Schrittgröße wird für Messungen höchster Genauig-

keit benötigt. Die Leica TS30 ist die einzige Totalsta-

tion, die Direktantriebe basierend auf dem Piezo-

Effekt für die Horizontal- und Vertikalbewegungen

verwendet.

Der Piezo-Effekt wurde bereits im Jahr 1880 ent-

deckt. Dieser Effekt beschreibt die Erzeugung elektri-

scher Ladung durch künstliche Verformung (z.B. durch

Ausübung von Druck) von bestimmten kristallinen

Mineralen (z.B. Quarz). Die Umkehrung dieses Effek-

tes – der inverse Piezo-Effekt – zieht die kristallinen

Minerale zusammen oder dehnt sie aus, indem sie

einem elektrischen Feld ausgesetzt werden. Die De-

formation der Minerale (Größe und Richtung) hängt

von der Polarisation der Minerale und der Stärke des

elektrischen Felds ab. Ein wechselndes elektrisches

Feld führt zu zyklischen Veränderungen der kristalli-

nen Minerale. Diese Veränderungen können für den

Antrieb verwendet werden. Anstelle kristalliner Mine-

rale können heutzutage auch künstlich hergestellte

Keramiken als piezo-elektrische Materialien verwen-

det werden. Dies ermöglicht, dass der Piezo-Effekt in

vielen Anwendungen eingesetzt werden kann (vgl.

Uchino und Giniewicz, 2005).

Abb. 8 – Direktantrieb der TS30 Totalstation.

Für die TS30 Totalstation werden zwei gegenüberlie-

gend montierte piezo-elektrische Keramiken verwen-

det, um einen keramischen Zylinderring – den Rotor –

zu beschleunigen und präzise zu bewegen. Der Rotor

befindet sich an den sich bewegenden Teilen der

Steh- und Kippachse (Abb. 8). Die montierten Kera-

miken sind polarisiert und in zwei Elektroden aufge-

teilt – eine aktive und eine passive (Abb. 9). Der Zu-

stand (aktiv oder passiv) der einzelnen Elektroden

kann geändert werden. Oben auf der Keramik zwi-

schen den beiden Elektroden befindet sich je eine

sogenannte „Nase“, welche die Bewegungen der fest

montierten Keramiken auf den Keramikring überträgt.

Die montierten Keramiken und entsprechend die

dazugehörigen beweglichen Nasen führen elliptische

Bewegungen aus, falls sie durch einen sinusförmigen

Wechselstrom angeregt werden. Die Richtung und die

Geschwindigkeit der elliptischen Bewegungen werden

durch die einzelnen aktiven Segmente der fest mon-

tierten Keramiken und der Stromstärke bestimmt.

9

Abb. 9: Funktionsprinzip der Direktantriebe der TS30 basierend auf dem Piezo-Effekt.

Die eingesetzte Piezo-Technologie ermöglicht eine

sehr schnelle Motorisierung mit hoher Geschwindig-

keit und Beschleunigung sowie Schrittgrößen im Na-

nometer-Bereich bei niedrigem Stromverbrauch. Die

Langlebigkeit und die langen Serviceintervalle der

Direktantriebe werden durch die Eliminierung der

beweglichen Teile bei der Kraftübertragung erreicht.

Für den Antrieb werden keine Zahnräder mehr benö-

tigt. Die Direktantriebe der Leica TS30 erzeugen kein

magnetisches Feld und werden auch nicht von einem

solchen beeinträchtigt. Diese Faktoren sorgen für

einen uneingeschränkten Einsatz auch in der Nähe

magnetischer Felder, wie sie beispielsweise in Strom-

kraftwerken auftreten können.

Verglichen mit herkömmlichen Antrieben bieten die

Leica TS30 Direktantriebe folgende Vorteile:

Hohe Geschwindigkeit (bis zu 200gon/s)

Hohe Beschleunigung (bis zu 400gon/s²)

Lange Lebensdauer und Robustheit

Keine Geräuschentwicklung

Kompakte Konstruktion

Kein Stromverbrauch in Ruhestellung

Die Direktantriebe der TS30 Totalstation reduzieren

die Positionierungszeiten der Alhidade und des Fern-

rohrs erheblich. Abb. 10 zeigt einen Vergleich zwi-

schen einem Direktantrieb basierend auf dem Piezo-

Effekt und einem konventionellen Antrieb beim Lage-

wechsel (Drehung um 200gon). Die aktuelle Ge-

schwindigkeit und Position wird in Relation zur benö-

tigten Zeit dargestellt. Die maximale Geschwindigkeit

der TS30 Direktantriebe ist mindestens viermal höher

als die von herkömmlichen Standardantrieben. Die

Zeit für die Positionierung wird um mindestens die

Hälfte verkürzt.

Abb. 10: Geschwindigkeiten und Positionierungszeiten eines TS30 Direktantriebs verglichen mit einem kon-ventionellen Antrieb.

Der Stromverbrauch motorisierter Totalstationen ist

ein entscheidender Faktor bezüglich der Betriebsdau-

er der Instrumente mit Batterien. Geringer Strom-

verbrauch, besonders in Ruhestellung, erhöht die

Betriebsdauer der Totalstation deutlich. Die Direktan-

triebe der Leica TS30 benötigen nur in Bewegung

Strom. In Ruhestellung verbrauchen sie keinen Strom.

Die Direktantriebe können die horizontalen und verti-

kalen Positionen der Alhidade und des Fernrohrs

ohne Stromverbrauch halten. Dies spart Energie,

entwickelt keine Hitze und ermöglicht längere Mess-

zeiten verglichen mit anderen Instrumenten. Die Kon-

trolle der im Innern entstehenden Hitze ist äußerst

wichtig, denn sie hat Einfluss auf die hochgenauen

Messungen. Zusätzlich werden die horizontale und

vertikale Position der TS30 Totalstation durch die

eingesetzten Direktantriebe sehr stabil gehalten. Dies

ermöglicht sehr stabile Fernrohrpositionen während

des Anzielens und des Auslösens der Messungen

ohne jegliche Positionsschwankungen. Einen qualita-

tiven Vergleich zwischen den TS30 Direktantrieben,

einem herkömmlichen Antrieb und einem magneti-

schen Antrieb zeigt Tabelle 1.

10

Leica TS30

Direktantrieb

Konventioneller

Antrieb

Magnet.

Antrieb

Geschwindigkeit ++ – +

Beschleunigung ++ – +

Auflösung ++ + +

Stromverbrauch

in Ruhe + + –

Fernrohr-

stabilität beim

Anzielen

++ ++ –

Tabelle 1: Vergleich unterschiedlicher Antriebstechno-logien für Totalstationen (++ überlegener Vorteil, + Vorteil, – Nachteil der entsprechenden Technologie).

Aufgrund der Tatsache, dass Direktantriebe basierend

auf dem Piezo-Effekt keine Zahnräder oder zusätzli-

che mechanische Lager verwenden, entsteht fast

keine erkennbare Abnutzung, wodurch die Lebens-

dauer der Motorisierung deutlich verlängert wird.

Auch die Serviceintervalle können erheblich vergrö-

ßert werden.

Die elektro-optische Distanzmessung Für die elektro-optische Distanzmessung (EDM) auf

Prismen, Reflexfolien oder natürliche Oberflächen

wird das von Leica Geosystems entwickelte PinPoint

EDM-System eingesetzt, bei dem ein sichtbarer La-

serstrahl koaxial zur optischen Achse ausgesandt

wird. Das reflektierte Licht wird von einem empfindli-

chen Lichtempfänger erkannt und in ein elektrisches

Signal umgewandelt. Durch das Digitalisieren, Akku-

mulieren und Analysieren des Signals wird die Distanz

zum Zielpunkt bestimmt. Die Modulationsfrequenz

von 100 MHz ist die Zeitbasis für die hohe Messge-

nauigkeit.

Leica Geosystems reflektorloser PinPoint R1000 EDM

misst auf natürliche Oberflächen bis zu einer Reich-

weite von 1000m. Um diese langen Distanzmessun-

gen ohne Prismen oder Reflexfolien durchführen zu

können, wurde die von Leica Geosystems entwickelte

zuverlässige System Analyzer Technologie implemen-

tiert. Dieses Verfahren ermöglicht die Prüfung aller

Signalinformationen zur Distanzbestimmung und

kombiniert die Vorteile des Phasenvergleichsverfah-

rens und der Laufzeitmessung (vgl. Bayoud, 2006).

Für jede Messung werden zusätzlich die momentanen

Eigenschaften des EDM-Laserstrahls und der Zielquali-

tät durch den System Analyzer bestimmt. Zum

Schluss wird durch moderne Signalauswertungsme-

thoden basierend auf Maximum-Likelihood die Dis-

tanz berechnet.

Für die TS30 Totalstation wurde der Leica PinPoint

EDM weiter verbessert, um eine noch höhere Genau-

igkeit zu erzielen. Distanzmessungen auf Rundpris-

men (GPH1P) erreichen jetzt eine Genauigkeit von

0,6mm + 1ppm (getestet nach ISO 17123-4). Das

EDM-System wählt dabei intelligent bestimmte Mess-

frequenzen abhängig von den Umgebungsbedingun-

gen aus. Der verbesserte EDM verwendet zusätzliche

und unterschiedliche Frequenzen und unterdrückt

Mehrfachreflexionen zwischen Instrument und Ziel.

Des Weiteren berücksichtigt der Messprozess mehre-

re Messungen, die die Genauigkeit erhöhen und die

Zuverlässigkeit der gemessenen Distanz verbessern.

Der PinPoint EDM bietet viele Vorteile für die Dis-

tanzmessung der TS30. Neben der sehr hohen Zuver-

lässigkeit und Messqualität sind auch Messungen

unter schwierigen äußeren Bedingungen wie Staub,

Rauch, Nebel, Regen oder Schneefall möglich.

Die Distanzmessgenauigkeit der TS30 wird in Leica

Geosystems akkreditierten Messlaboratorien verifi-

ziert. Dabei werden die gemessenen Distanzen mit

nominellen Distanzen, die mit einem Interferometer

bestimmt wurden, verglichen. Abb. 11 zeigt die Er-

gebnisse einer Testmessung.

Abb. 11: Distanzdifferenzen zwischen Interferometer und TS30 bei unterschiedlichen Reichweiten.

Neben den Verbesserungen in der Elektronik und der

Signalanalyse des Distanzmesssystems wurde auch

die Form des Laserstrahls weiter verbessert. Das

Profil und der Footprint des Laserstrahls wurden

weiter optimiert. Das inhomogene Umgebungslicht

des Laserstrahls wird „abgeschnitten“. Dieses in der

11

Peripherie befindliche Licht kann die Distanzmessung

durch zufällige Reflexionen am Objekt beeinträchti-

gen. Zusätzlich wird der Laserstrahl durch einen Ana-

morphoten (Abb. 12) neu geformt. Die neue Form

ermöglicht eine bessere Distanzmessleistung, insbe-

sondere auf Prismen.

Abb. 12: Anamorphot zur Formgebung des Laserstrahls mit schematischem Strahlengang.

Zusammenfassung – Vorteile und Nutzen der Leica TS30 Totalstation Die Leica TS30 kombiniert Genauigkeit, Leistung und

Effizienz, um anspruchsvolle Vermessungen in Ingeni-

eurprojekten mit höchster Genauigkeit zu erfüllen.

Die Vorteile der Leica TS30 Totalstation sind beein-

druckend. Ausgestattet mit neuester Technologie

erhöht diese Totalstation die Messeffizienz vor Ort

durch eine bislang unerreichte Messreichweite (auf

Prismen und natürliche Oberflächen) mit höchster

Genauigkeit. Die TS30 Totalstation unterstützt voll-

umfänglich die Leica Geosystems X-Function.

Hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit

Die besondere mechanische Konstruktion und das

schnelle Winkelmesssystem mit vierfachem Abgriff

ermöglicht Winkelmessungen mit einer Genauigkeit

von 0,5”. Höchste Genauigkeit und beste Leistung

erfordern eine einzigartige mechanische Konstrukti-

on, die Umwelteinflüsse bei Messungen auf ein Mini-

mum reduziert. Der dritte zusätzliche Feintrieb lässt

ergonomische Messungen mit nur einer Hand zu. Die

vom Anwender definierbare Smart-Taste ermöglicht

Messungen ohne tangentialen Druck auf die Alhidade.

Schnelle und zuverlässige Leistung

Qualität, Zuverlässigkeit und Effizienz sind bei allen

Vermessungen oder Ingenieurprojekten von höchster

Wichtigkeit. Die TS30 Totalstation erfüllt diese Eigen-

schaften. Messeffizienz und Leistung ist das Resultat

der optimalen Kombination unterschiedlicher Senso-

ren. Die schnelle und präzise Winkelmessung (bis zu

5000 Winkel/s), das PinPoint EDM-System und die

Motorisierung der TS30 durch Direktantriebe basie-

rend auf dem Piezo-Effekt ermöglichen eine Positio-

nierung von höchster Genauigkeit in kürzester Zeit.

Zur hohen Zuverlässigkeit der TS30 gehören auch die

lange Lebensdauer und die langen Serviceintervalle.

X-Function

Die Leica TS30 ist vollständig in das X-Function Sys-

tem von Leica Geosystems integriert. Neben der

Kompatibilität der Hardware (z.B. GNSS, Funk-

Tragegriff, Zubehör, usw.) und Leica Geosystems

Datenmanagement wird die TS30 auch mit der In-

strumenten-Software Leica SmartWorx bedient. Darin

sind die Anwendungsprogramme mit der bekannten

grafischen Benutzeroberfläche enthalten. Die Integra-

tion der Leica TS30 in die X-Function erlaubt eine

unbegrenzte Flexibilität und Modularität durch die

umfassende Kompatibilität mit den Komponenten der

am Markt etablierten Leica System 1200 Serie.

Literatur Bayoud, F. (2006): Leica Geosystems’ PinPoint EDM

Technology with Modified Signal Processing

and Novel Optomechanical Features.

In: Proceedings vom XXIII FIG Kongress,

München, 2006.

Lippuner, H. and Scherrer, R. (2005): Die neue Theo-

dolit-Prüfmaschine TPM-2 von Leica Geosys-

tems. Allgemeine Vermessungsnachrichten

AVN, 05/2005.

Uchino, K. and Giniewicz, J. (2005): Micromechatro-

nics. Verlag: Marcel Dekker Inc., New York, Ba-

sel.

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Ob Sie einen Wolkenkratzer vermessen oder einen Tunnel, die Bewegungen eines Vulkanhanges überwachen oder Objekte auf einer Baustelle – Sie brauchen Daten, auf die Sie sich kompromisslos verlassen können. Leica Geosystems bietet ein umfassendes Portfolio für die präzise Vermessung: hochgenaue Instrumente und innovative Lösungen, mit denen Sie jede noch so herausfordernde Aufgabe jederzeit effizient und erfolgreich umsetzen. Kunden von Leica Geosystems profitieren von Support und Service über Zeitzonen und Landesgrenzen hinweg. Aktive Kundenbetreuung – das ist eine echte Partnerschaft mit dem Kunden. Wir bieten Ihnen langfristig ein Höchstmaß an Service und Kooperation, den Sie von Leica Geosystems mit Recht erwarten können.

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